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1、第2讲半导体基础知识二极管第1页，共41页，编辑于2022年，星期一1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 按导电性能的不同，物质可分为导体、按导电性能的不同，物质可分为导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质间，并且会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。而发生显著变化。目前用来制造电子器件的材料主要是目前用来制造电子器件的材料主要是硅硅(Si)(Si)、锗、锗(Ge)(Ge)和和砷化镓砷化镓(GaAs)(GaAs)等。等。第2页，共41页，编辑于2022年，星期一1.1.1 本征
2、半导体本征半导体 用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。电子（价电子）都是四个。GeSi价电子价电子第3页，共41页，编辑于2022年，星期一 硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键硅和锗都是晶体，相邻原子由价电子组成的共价键联系在一起联系在一起共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体完全纯净的、结构完整的半导体晶体第4页，共41页，编辑于2022年，星期一本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理1.1.载流子、
3、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为0，相当，相当于绝缘体。于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同，同时共价键上留下一个空位，称为时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。第5页，共41页，编辑于2022年，星期一+4+4+4+
4、4 空穴空穴自由电子自由电子束缚电子束缚电子本本 征征 激激 发发第6页，共41页，编辑于2022年，星期一2.2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种载流子本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子自由电子和和空穴空穴+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。以认为空穴是载流子。第7页，共41页，编辑于2022年，星期一本征半导体中电流由两部
5、分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流自由电子移动产生的电流 2.空穴移动产生的电流空穴移动产生的电流本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度热平衡载流子浓度值：热平衡载流子浓度值：温度越高，载流子的浓度越高。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。导体的一大特点。第8页，共41页，编辑于2022年，星期一1.1.2 杂质半导体杂质半导体杂质半导体：杂质半导体：在本征半导体中
6、人为掺入某种在本征半导体中人为掺入某种“杂质杂质”元素形成的半导体。分为元素形成的半导体。分为N N型型半导体和半导体和P P型型半导体。半导体。1.N型半导体型半导体在本征在本征SiSi和和GeGe中掺入微量中掺入微量五价元素后形成的杂质半五价元素后形成的杂质半导体称为导体称为N N型半导体。型半导体。所掺入五价元素称为施主杂所掺入五价元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由质，简称施主（能供给自由电子）。电子）。第9页，共41页，编辑于2022年，星期一2.P型半导体型半导体在本征Si和Ge中掺入微量三价元素后形成的杂质半导体称为P型半导体。3.多子和少子多子和少子所掺入三价元素称为受主杂质
7、，简称受主（能供给空穴）P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。N型半导体中，自由电子为多子，空穴为少子。第10页，共41页，编辑于2022年，星期一1.1.2 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散1.漂移电流漂移电流 在在电场作用下，半作用下，半导体中的体中的载流子作定向漂移运流子作定向漂移运动形成形成 的的电流，称流，称为漂移漂移电流。它流。它类似于金属似于金属导体中的体中的传导电流。流。为电子电流为电子电流为空穴电流为空穴电流 漂移漂移电流的大小将由半流的大小将由半导体中体中载流子流子浓度、迁移速度度、迁移速度及外加及外加电场的的强度等因素决定。度等因素决定。第11页，共41页
8、，编辑于2022年，星期一2.扩散电流扩散电流在半在半导体中，因某种原因使体中，因某种原因使载流子的流子的浓度分布不均匀度分布不均匀时，载流子会从流子会从浓度大的地方向度大的地方向浓度小的地方作度小的地方作扩散散运运动，从而形成，从而形成扩散散电流。流。半半导体中某体中某处的的扩散散电流流主要取决于主要取决于该处载流子的流子的浓度差度差(即即浓度梯度度梯度)。浓度差越大，度差越大，扩散散电流越大，流越大，而与而与该处的的浓度度值无关。无关。第12页，共41页，编辑于2022年，星期一1.2 PN 结结 通通过掺杂工工艺，把本征硅，把本征硅(或或锗)片的一片的一边做成做成P型半型半导体，另一体，
9、另一边做成做成N型半型半导体，体，这样在它在它们的交界面的交界面处会形成一个很薄的会形成一个很薄的特特殊物理殊物理层，称，称为PN结。P型半型半导体和体和N型半型半导体有机地体有机地结合在一起合在一起时，因，因为P区一区一侧空穴空穴多，多，N区一区一侧电子多，所以在它子多，所以在它们的界面的界面处存在空穴和存在空穴和电子的子的浓度度差。于是差。于是P区中的空穴会向区中的空穴会向N区区扩散，并在散，并在N区被区被电子复合。而子复合。而N区中的区中的电子也会向子也会向P区区扩散，并在散，并在P区被空穴复合。区被空穴复合。这样在在P区和区和N区分区分别留下了不能移留下了不能移动的受主的受主负离子和施
10、主正离子。离子和施主正离子。1.动态平衡下的动态平衡下的PN结结第13页，共41页，编辑于2022年，星期一空空间间电电荷荷区区的的形形成成内建电场：内建电场：空间电荷区的左侧带负电，右侧带正电，这样在空间电荷区内就形成一个电场，阻止多子的扩散，促进少子的漂移，最终达到动态平衡。第14页，共41页，编辑于2022年，星期一2.PN结的单向特性结的单向特性 正向特性正向特性 使使P区区电位高于位高于N区区电位的接法，称位的接法，称PN结加正向加正向电压或正向偏置或正向偏置（简称正偏称正偏）。）。第15页，共41页，编辑于2022年，星期一+REPN 结正向偏置结正向偏置内电场内电场外电场外电场变
11、薄变薄PN+内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。的扩散电流。第16页，共41页，编辑于2022年，星期一 反向特性反向特性P P区接低电位（负电位），区接低电位（负电位），N N区接高电位（正电位）。区接高电位（正电位）。+变厚变厚NP+_RE内电场内电场外电场外电场内电场被加强，内电场被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。第17页，共41页，编辑于2022年，星期一硅硅PN结的结的约为约为A锗锗PN结的结的约为约为A 反向电
12、流几乎全部由少子的漂移作用形成，其值反向电流几乎全部由少子的漂移作用形成，其值几乎与外加反向电压大小无关，故反向电流又称为几乎与外加反向电压大小无关，故反向电流又称为反向饱和电流，用反向饱和电流，用表示。表示。随温度的升高而增大，还与随温度的升高而增大，还与PN结面积结面积 成正比的增大。成正比的增大。第18页，共41页，编辑于2022年，星期一3.伏安特性伏安特性为正值，且为正值，且（或（或 ）时）时为负值，且为负值，且 时时即为反向饱和电流即为反向饱和电流导通电压：导通电压：硅硅PN结结锗锗PN结结PN结伏安特性曲线结伏安特性曲线第19页，共41页，编辑于2022年，星期一结论：结论：PN
13、结具有结具有单向导电性单向导电性 PNPN结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，形成较大正向电流形成较大正向电流形成较大正向电流形成较大正向电流I ID D，呈现电阻小，呈现电阻小，呈现电阻小，呈现电阻小，导通导通导通导通；PNPN结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，形成的反向电流形成的反向电流形成的反向电流形成的反向电流I IS S极极极极 小，呈现电阻很大，小，呈现电阻很大，小，呈现电阻很大，小，呈现电阻很大，不不不不导通（截止）导通（截止）导通（截止）导通（截止）；PN结伏安特性曲线结伏安特性曲线第20页，共41页，编辑于2022年，
14、星期一4.温度特性温度特性 当温度升高时，当温度升高时，当温度升高时，当温度升高时，PNPN结两边的热平衡少子浓度相应增加，结两边的热平衡少子浓度相应增加，结两边的热平衡少子浓度相应增加，结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致从而导致从而导致从而导致PNPN结的反向饱和电流结的反向饱和电流结的反向饱和电流结的反向饱和电流I IS S增大。增大。增大。增大。实验结果表明：实验结果表明：实验结果表明：实验结果表明：温度每升高温度每升高温度每升高温度每升高10101010，I I I IS S S S约增加一倍；约增加一倍；约增加一倍；约增加一倍；V V V VD D D D(on)(on)(on
15、)(on)随温度升高而略有下降（温度每升高随温度升高而略有下降（温度每升高随温度升高而略有下降（温度每升高随温度升高而略有下降（温度每升高1111，V V V VD(on)D(on)D(on)D(on)约减小约减小约减小约减小2.5mV2.5mV2.5mV2.5mV）。）。）。）。当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质当温度进一步增大，在极端情况下，本征激发占主要地位，杂质半导体变得与本征半导体类似，半导体变得与本征半导体类似，半导体变得与本征半导体类似，半导体变得
16、与本征半导体类似，PNPNPNPN结就不存在了。结就不存在了。结就不存在了。结就不存在了。因此，因此，因此，因此，PNPNPNPN结正常工作的最高温度：结正常工作的最高温度：结正常工作的最高温度：结正常工作的最高温度：SiSiSiSi：150150150150200200200200、GeGeGeGe：75757575100100100100第21页，共41页，编辑于2022年，星期一图示温度对温度对PN结伏安特性曲线的影响结伏安特性曲线的影响第22页，共41页，编辑于2022年，星期一 5.电容特性：电容特性：PN结除了电流随电压变化（伏安特性）的非线性结除了电流随电压变化（伏安特性）的非线
17、性电阻特性之外，还具有电荷量随电压变化的（伏电阻特性之外，还具有电荷量随电压变化的（伏库特性）非线性电容特性。库特性）非线性电容特性。PN结的结等效电容结的结等效电容Cj分为：垫垒电容分为：垫垒电容CT和扩和扩散电容散电容Cd 第23页，共41页，编辑于2022年，星期一1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容容称为势垒电容Cb。2.扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子
18、的结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！第24页，共41页，编辑于2022年，星期一1.3 晶体二极管晶体二极管晶体二极管是由晶体二极管是由PN结加上加上电极引极引线和管壳构成的和管壳构成的。晶体二极管晶体二极管结构示意构示意图 晶体二极管晶体二极管电路符号电路符号 第25页，共41页，编辑于2
19、022年，星期一 1.3.1 二极管的组成二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大第26页，共41页，编辑于2022年，星期一1.3.2 二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流I
20、IF F：二极管长期工作时允许通：二极管长期工作时允许通 过的最大正向平均电流。过的最大正向平均电流。最大反向工作电压最大反向工作电压U UR R：指二极管在使用时所允许加的：指二极管在使用时所允许加的 最大反向电压，一般取最大反向电压，一般取U UR R=1/2=1/2U UBRBR。反向电流反向电流I IR R：指二极管未被击穿时的反向电流值，：指二极管未被击穿时的反向电流值，I IR R 越小，二极管的单向导电性越好。越小，二极管的单向导电性越好。最高工作频率最高工作频率f fM M：由：由PNPN结电容大小决定，信号频率若结电容大小决定，信号频率若 超过超过f fM M，二极管的单向导
21、电性就不能很好体现。，二极管的单向导电性就不能很好体现。1 1、半导体二极管的主要参数、半导体二极管的主要参数第27页，共41页，编辑于2022年，星期一2 2、二极管的选择、二极管的选择 要要求求导导通通电电压压低低时时选选锗锗管管，要要求求反反向向电电流流小小时时选硅管。选硅管。要要求求导导通通电电流流大大时时选选平平面面型型，要要求求反反向向工工作频率高时选点接触型。作频率高时选点接触型。要求反向击穿电压高时选硅管；要求反向击穿电压高时选硅管；要求耐高温时选硅管。要求耐高温时选硅管。第28页，共41页，编辑于2022年，星期一 1.3.3 二极管的伏安特性及电流方程二极管的伏安特性及电流
22、方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启开启电压电压反向饱和反向饱和电流电流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量第29页，共41页，编辑于2022年，星期一1.3.3 1.3.3 二极管的等效电路二极管的等效电路 1.将伏安特性折线化将伏安特性折线化理想理想二极管二极管近似分析中近似分析中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导
23、通时i与与u成线性成线性关系关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！第30页，共41页，编辑于2022年，星期一Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为个电阻，称为动态电阻动态电阻，也就是微变等效电路。，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流2.微变等效电路微变等效电路第31页，共41页，编辑于2022年，星期一1.4 稳压二极管及二极管及稳压电路路 稳压二极管是利用二极管是利用PN结反向
24、反向击穿后具有穿后具有稳压特性制作特性制作的二极管，主要用于的二极管，主要用于稳压电路。路。1.稳压二极管的特性二极管的特性 其其正、反向特性与普通二极管基本相同。区正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于在于击穿后，特性曲穿后，特性曲线更加陡峭，即更加陡峭，即电流在很大范流在很大范围内内变化化时(IZminIIZmax)，其两端其两端电压几乎不几乎不变。第32页，共41页，编辑于2022年，星期一稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 图示进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流第33页，共41页，编辑于2022年，星期一2.稳压二极管的主要参数
25、二极管的主要参数 稳定定电压UZ UZ是指是指击穿后在穿后在电流流为规定定值时，管子两端的，管子两端的电压值。最小稳定电流最小稳定电流 IZmin 保证二极管可靠击穿所允许的最小反向电流，当保证二极管可靠击穿所允许的最小反向电流，当IZIZmax时，时，PN结将过热而导致烧毁。结将过热而导致烧毁。第34页，共41页，编辑于2022年，星期一3.稳压二极管二极管稳压电路稳压电路 图中中Ui为有波有波动的的输入入电压，并，并满足足Ui UZ。R为限流限流电阻，阻，RL为负载。第35页，共41页，编辑于2022年，星期一 当当Ui，RL变化化时，IZ应始始终满足足Izmin IZIZmax。设Ui的
26、最的最小小值为Uimin，最大，最大值为Uimax；RL最小最小时IL的最大的最大值为UZ/RLmin,RL最大最大时IL的最小的最小值为UZ/RLmax。限流限流电阻阻R的的选择方法方法：当当Ui=Uimax,RL=RLmax时，IZ最大。最大。应满足足当当Ui=Uimin，RL=RLmin时，IZ最小。最小。应满足足 第36页，共41页，编辑于2022年，星期一1.5 其它二极管其它二极管 二二极极管管种种类类繁繁多多，除除普普通通二二极极管管和和前前面面介介绍绍的的稳稳压二极管外，还有：压二极管外，还有：变容二极管：其增量电容值随外加反向电压而变化；变容二极管：其增量电容值随外加反向电压
27、而变化；发光二极管：导通时可发光，截止时不发光；发光二极管：导通时可发光，截止时不发光；光敏二极管：能将光能转换为电能；光敏二极管：能将光能转换为电能；其它：肖特基表面垫垒二极管、隧道二极管等。其它：肖特基表面垫垒二极管、隧道二极管等。第37页，共41页，编辑于2022年，星期一讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断二极管工作状态的方法？判断二极管工作状态的方法？第38页，共41页，编辑于2022年，星期一讨论二讨论二1.V2V、5V、10V时二极管中的直时二极管中的直流电流各为多少？流电流各为多少？2.若输入电压的有效值为若输入电压的有效值为5mV，则上，则上述各种情况下二极管中的交流电流各述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？为多少？V 较小时应实测伏安特较小时应实测伏安特性，用图解法求性，用图解法求ID。QIDV5V时，时，V=10V时，时，uD=V-iR第39页，共41页，编辑于2022年，星期一讨论二讨论二V2V，ID2.6mAV5V，ID 21.5mAV10V，ID 50mA在伏安特性上，在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！点越高，二极管的动态电阻越小！第40页，共41页，编辑于2022年，星期一作业：作业：教材教材69页页 1.3，1.4，1.6第41页，共41页，编辑于2022年，星期一